Испытание на изгиб

Применение испытаний на изгиб обусловлено широкой распространенностью этой схемы нагружения в реальных условиях эксплуатации и большей ее мягкостью по сравнению с растяжением, что дает возможность оценивать свойства материалов, хрупко разрушающихся при растя­жении. Испытания на изгиб удобны для оценки темпера­тур перехода из хрупкого состояния в пластичное. При испытаниях на изгиб применяют две схемынагружения образца, лежащего на неподвижных опорах:

1. на­грузка прикладывается сосредоточенной силой на середи­не расстояния между опорами;

2. нагрузка прикладывается в двух точках на одинаковом расстоянии от опор.

Экспериментально первую схему реализовать гораздо проще, поэтому она и нашла наибольшее распространение. Следует учитывать, что вторая схема «чистого изгиба» во многих случаях обеспечивает более надежные результаты, поскольку здесь максималь­ный изгибающий момент возникает на определенном участ­ке длины образца, а не в одном сечении, как при исполь­зовании первой схемы.

В изгибаемом образце создается неоднородное напря­женное состояние, зависящее от геометрии образца и спо­соба нагружения. При чистом изгибе узких образцов с прямоугольным сечением напряженное состояние в каж­дой точке можно считать линейным. В широких образцах (с отношением ширины к высоте сечения более трех) при обеих схемах изгиба создается двухосное напряженное состояние из-за затруднения поперечной де­формации. Нижняя часть образца оказывается растянутой, верхняя — сжатой. К тому же напряжения, связанные с величиной изгибающего момента, различны по дли­не и сечению образца. Максимальные напряжения возникают вблизи поверхности. Все это затрудняет оцен­ку средних истинных напряжений и деформаций, строго характеризующих механические свойства при изгибе.

Образцы для испытаний на изгиб не имеют головок. Это еще одно преимущество по сравнению с растяжением, так как изготовление образцов с головками, особенно из хрупких материалов, значительно сложнее. На изгиб испытывают прямоугольные или цилиндрические стержни. Для определения свойств отливок из чугуна используют цилиндрические образцы диаметром 30±1 и длиной 340 или 650 мм (при растяжении между опорами 300 и 600 мм соответственно). Для исследовательских целей испытания на изгиб обычно ведут на цилиндрических образцах с d₀ = 2-10 мм и расстоянием между опорами l > d₀ или плоских образцах с высотой b=1-3, шириной h=3-15 мм и t≥10h. Для оценки харак­теристик конструкционной прочности рекомендуется применять образцы большого сечения до 30×30 мм.

Испытания на изгиб можно проводить на любой уни­версальной испытательной машине, используемой для испытаний на растяжение. Образец устанавливают на опорную плиту в нижнем захвате и де­формируют изгибающим ножом, крепящимся в верхнем захвате машины. Для уменьшения трения опоры, на которых лежит образец, часто делают из роликоподшипников. Образец изгибается при опускании верхнего или подъеме нижнего захвата.

Простота испытания на изгиб и наглядность получаемых при этом характеристик пластичности привели к разработке ряда технологических проб, которые применяются в заводских условиях. Задача всех этих проб — оценить пластичность деформированных полуфабрикатов, отливок и изделий (листов, труб, проволоки и др.). ГОСТ 14019-80 «Методы испытаний на изгиб» предусматривает изгиб сосредоточенной силой плоских образцов из проката, поковок и отливок, помещаемых на две опоры. Критерием годности продукции может быть: а) заданный угол загиба образцов β (см. рис. 1.31.1, б) появление первой трещины после загиба на угол β, равный или больший заданного; в) возможность загиба пластины до параллельности (см. рис. 1.31.1, в) или соприкосновения сторон (см. рис. 1.31.1, г). Существуют также пробы на перегиб листа, ленты и проволоки, в которых фиксируют заданное число переги­бов либо количество перегибов, после которых появились трещины или образец разрушился.

Рис.1.31.1. Технологическая проба на изгиб: а – образец перед испытанием; б – загиб до определенного угла;

в – загиб до параллельности сторон; г – загиб до соприкосновения сторон.

 

8. Испытание на кручениецилиндрического образца осуществляется двумя одинаковыми по величине и противоположно направленными крутящими моментами М (рис.1), которые прикладываются к концам образца в плоскостях, нормальных к его продольной оси. В отличие от испытания на сжатие или изгиб при испытаниях на кручение до разрушения можно довести любой материал.Испытания на одноосное растяжение (или сжатие) осложнены не-равномерностью пластической деформации, поэтому и целесообразно использовать нагружения на сдвиг в виде кручения цилиндрических образцов круглого сечения для изучения пластичности материалов. Положительные моменты испытаний материалов на кручение:

1. Тождество деформаций образца в сечениях по всей его рабочей длине от начала испытания до разрушения, причем и поперечное сечение и рабочая длина практически сохраняют свои размеры постоянными.

2. Четкая связь свойств прочности металлов с видом разрушения по которому легко устанавливается характер разрушения (что, срез или отрыв имеет решающее значение на конечной стадии испытания). Вид разрушения при кручении дает возможность судить, что былое го причиной: предельное значение сопротивления срезу н или сопротивление отрыву Sт пластически скрученного материала. Максимальные касательные напряжения мах при кручении действуют в плоскостях, перпендикулярных оси образца, наибольшие же нормальные напряжения S мах под углом 450. При кручении может получаться еще и

3 вид разрушения - "древовидный" или "щепообразный" (характерен для3М.В. Жаров М.В., А.Г. Шлёнский кованного или волочённого вдоль оси образца металла с загрязнениями неметаллического и ликвационного характера), вследствие понижения сопротивления сдвигу металла в сечениях, продольных оси.Из вышеизложенного вытекает возможность использования испытания на кручение для выявления двойственного характера прочности многих высокопрочных металлов. Испытания на кручение проводят на специальных машинах, которые должны обеспечивать надежную центровку образца, плавность нагружения и отсутствие изгибающих усилий, возможность достаточно точного задания и измерения величины крутящего момента. Используются машины с горизонтальным и вертикальным расположением образца. Максимальный крутящий момент существующих машин меняется от 60 Нм до 2 мНм. Основные узлы этих машин - станина, привод, от которого вращается активный захват, силоизмеритель с несколькими шкалами нагрузок, диаграммный механизм, счетчик оборотов и угломер для определения угла закручивания образца. При проведении испытаний зависимость момента кручения М о величины угла кручения устанавливается экспериментально в виде кривой кручения в координатах М,  (рис. 2).Диаграмма в координатах М -  состоит из участка кривой упругой (ОА) и пластической деформации (АС) (рис.2). По аналогии с другими статическими испытаниями (например, при испытаниях на растяжение) при кручении определяют условные пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности. Но все эти свойства выражают не через нормальные, а через касательные напряжения. Предел пропорциональности при кручении пц - это условное касательное напряжение, при котором отступление от линейной зависимо-

4 Сборник методических указаний к лабораторным работам сти между напряжениями и деформациями достигает такой величины, когда тангенс угла , образуемый касательной к диаграмме кручения и осью деформаций , не превышает начальное значение tg на 50%.Точке А на диаграмме соответствует предел упругости (упр) приручении, или наибольшее напряжение сдвига, которое выдерживает образец, не обнаруживая остаточной деформации при нагрузке. Точке В соответствует условный предел текучести при кручении s, которому соответствует остаточный относительный сдвиг на 0,3%,характеризующий распространение остаточной деформации по рабочей части образца при нагружения последнего.

Рис. 1. Схема процесса испытаний на кручение

М - момент кручения, измеряемый испытательной машиной в Нм (кгс

м; кгс см);

 - угол кручения для двух сечений, находящихся на расстоянии L0;

 - условный относительный сдвиг у поверхности образца.

9.

Испытание материалов на ползучесть

Сопоставление материалов по их сопротивлению ползучести часто проводится с помощью условной характеристики, называемой пределом ползучести. Существуют два определения для предела ползучести. Первое относится к случаю относительно непродолжительной работы материала при высоких уровнях напряжения и температуры, когда существенную роль играют процессы, происходящие на стадии неустановившейся ползучести. Например, работа лопаток авиационных газовых турбин. В соответствии с первым определением пределом ползучести называется напряжение, при котором остаточная деформация в условиях длительного статического напряжения достигает определенной величины за заданный промежуток времени, равный времени эксплуатации детали (например, 0,1% за 300 часов) при температуре T. Второе определение относится к случаю длительной работы конструкции в стационарных условиях при относительно невысоких напряжении и температуре, когда стадией неустановившейся ползучести практически можно пренебречь, а учитывать только деформацию ползучести, накапливаемую на стадии установившейся ползучести с постоянной скоростью. Например, работа лопаток паровой турбины тепловой станции. В соответствии со вторым определением пределом ползучести называется напряжение, при котором скорость ползучести на установившейся стадии равна заданной величине (например, 10^-8 ч^-1) при температуре T. Отметим, что предел ползучести является не только характеристикой материала, но учитывает также фактор времени.             

Предел ползучести рекомендуется определять при допусках на удлинение от 0,1 до 1% при длительности испытания от 50 до 10000 ч. Если предел ползучести определяется по скорости ползучести, то общая продолжительность испытания должна составлять не менее 2000-3000 ч, при условии продолжительности прямолинейного участка кривой ползучести не менее 500 ч. Скорость ползучести определяется по формуле

где ∆l - абсолютное приращение длины образца за время ∆t; l₀ - расчетная длина.

Порядок определения условного предела ползучести следующий: испытывают серию образцов (не менее четырех) при данной температуре и трех-четырех уровнях напряжения. Количество образцов в серии должно обеспечивать задаваемую точность определения предела ползучести. Результатом испытания являются первичные кривые ползучести в координатах «деформация - времяt» (рис.18.2, а). В случае нахождения предела ползучести по заданной деформации, при обработке первичных кривых ползучести определяются величины относительных деформаций, соответствующих заданной длительности, например 10000 ч. Затем по найденным величинам деформации строится график зависимости напряжения σ от деформации (рис.18.2,б), из которого по заданному допуску (например, 1% деформации) находится значение искомого напряжения.

Рис.18.2

10. Все материалы, в том числе строительные, содержат набор определенных физических и химических свойств, которые человечество, сумев выделить, применяет с пользой для себя. При этом, определенными физическими свойствами обладают, как природные, натуральные, так и созданные искусственно руками человека материалы. Осуществляя выбор или предпочитая один материал другому, выбирают набор свойств для строительства, который необходим в конкретном случае, с помощью этих специально выделенных свойств, происходит противостояние негативному воздействию окружающей среды.

При реконструкционных или строительных работах применяются материалы для строительства, от физических свойств которых зависит качество возводимого дома, или качество проводимого ремонта. Применяемые в строительстве основные материалы, получившие широкое распространение в последние годы, известны всем. Как рядовые потребители, делающие ремонт или осуществляющие строительство самостоятельно, так и крупные строительные подрядчики знают о цементе и кирпиче, камне и дереве, кровельных материалах и пластике, керамике и лакокрасочных изделиях многих других материалах. К их физическим характеристикам относятся следующие свойства: средняя плотность и электропроводность, пористость и теплопроводность, огнестойкость и гигроскопичность, морозостойкость, теплоемкость и термостойкость.

Являясь величиной прямо пропорциональной массе вещества, средняя плотность материала обратно пропорциональна его объему. Эта важная физическая величина оказывает непосредственное влияние на выбор того или иного строительного материала. В каких-то случаях необходимо применять материалы с большой плотностью, в каких то, наоборот, с меньшей, что обусловлено тем, где он будет применяться. Непосредственно от этой величины зависит и пористость материала.

Отражая количество пор в конкретном объеме материала, величина пористости влияет на прочность. Увеличение этого физического параметра, значительно понижает способность противостояния механических воздействий на него. Однако материалы с большой пористостью хорошо проводят теплоту, звук, хорошо поглощают воду.

Теплопроводность — это свойство, характеризующее возможность материала нагреваться и соответственно пропускать сквозь себя тепловой поток. Теплоемкость - качество материала, позволяющее сохранять полученную теплоту. Это физическое качество аккумулировать тепло, учитывается в момент необходимость выбора материала для возведения пола, стен, перегородок и других частей помещения.

Огнестойкость - это способность или свойство материала, которое проявляется в возможности выдерживать более большие или высокие температуры в определенный промежуток времени. Если оценивать зависимость от степени огнестойкости, то материалы, традиционно применяемые для строительства подразделяют на огнеупорные, трудновоспламеняемые и воспламеняемые. Материалы, отличающиеся огнеупорными качествами под воздействием высоких температур не горят, а также не деформируются, к примеру, кирпич и черепица, что с успехом применяется при возведении фундамента и крыши. Однако, человечество научилось увеличивать огнестойкость материала пропитывая его огнестойкой пропиткой, что с успехом применяется при возведении домов из различных пород древесины.

Термостойкость — возможность выдерживать чередование низких и высоких температур материалом, который не деформируется и не разрушаяется. Гигроскопичностью обладают материала способные поглощать влагу из воздуха. Водостойкость же напротив - это способность материала сохранять свои характеристики при увлажнении.